淺談飛機(jī)常規(guī)布局與填鴨式布局的利弊

單一雅

摘要：常規(guī)布局和填鴨式布局是飛機(jī)氣動(dòng)布局的主要設(shè)計(jì)形式，具有不同的特點(diǎn)。本文基于常規(guī)布局與填鴨式布局的利弊分析，希望能讓更多熱愛(ài)飛機(jī)設(shè)計(jì)和航天技術(shù)的人了解氣動(dòng)布局方式，為飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)；氣動(dòng)；常規(guī)布局；填鴨式布局

氣動(dòng)布局主要是指合理放置飛機(jī)的各個(gè)翼面，也決定了飛機(jī)最重要的動(dòng)力系統(tǒng)、座艙和武器的放置位置，不僅有助于優(yōu)化飛機(jī)的外形結(jié)構(gòu)，也有助于提升飛機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，因此，也被稱(chēng)為飛機(jī)的總體布局。不同用途的飛機(jī)，對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)機(jī)動(dòng)性能的要求也大不相同，因此，氣動(dòng)布局必然對(duì)應(yīng)多種不同的方式，才能滿(mǎn)足不同的設(shè)計(jì)需求?？v觀當(dāng)前的飛機(jī)設(shè)計(jì)研究成果，氣動(dòng)布局方式多種多樣，分別是常規(guī)布局、填鴨式布局、無(wú)尾布局、三翼面布局和飛翼布局等[1]，不同的布局方式對(duì)應(yīng)不同的機(jī)動(dòng)性能，也具有各自的特殊性和優(yōu)缺點(diǎn)。本文選取常規(guī)布局和填鴨式布局這兩種最主要的飛機(jī)氣動(dòng)布局方式，深入分析這兩種布局方式的優(yōu)缺點(diǎn)，希望能讓更多熱愛(ài)飛機(jī)設(shè)計(jì)和航天技術(shù)的人了解氣動(dòng)布局方式，為飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步提供借鑒和參考。

一、飛機(jī)常規(guī)布局的利弊

（一）常規(guī)布局的定義和運(yùn)用

常規(guī)布局方式，顧名思義，就是飛機(jī)氣動(dòng)布局最常見(jiàn)、最普通的一種方式，主要是主翼面設(shè)置在前方，而水平尾翼設(shè)置在飛機(jī)的后方，并在飛機(jī)尾部設(shè)置一到兩個(gè)垂尾的氣動(dòng)布局方式[2]。常規(guī)布局是自第一架飛機(jī)問(wèn)世以來(lái)，飛機(jī)設(shè)計(jì)師們最常使用的氣動(dòng)布局方式。在20多年前，有研究人員對(duì)傳統(tǒng)的常規(guī)布局方式進(jìn)行了改善，在飛機(jī)翼前根部微微靠近機(jī)身兩側(cè)的地方增添一篇大后掠角圓弧形的機(jī)翼面積，在保留原有穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，大幅度提升飛機(jī)大迎角狀態(tài)的上升力度，增強(qiáng)動(dòng)力性能[3]?，F(xiàn)有的很多新式戰(zhàn)斗機(jī)都紛紛采用這種改進(jìn)后的常規(guī)布局方式，例如俄羅斯的米格-29、蘇27側(cè)衛(wèi)和美國(guó)—洛克希德馬丁公司：F22猛禽等戰(zhàn)斗機(jī)型。這種一字型飛機(jī)所采用的常規(guī)布局方式，具有很強(qiáng)的近距離格斗能力。除了戰(zhàn)斗機(jī)以外，常規(guī)布局方式也被廣泛運(yùn)用于客機(jī)和貨機(jī)。

（二）常規(guī)布局的利弊分析

常規(guī)布局最大的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，這是航空發(fā)展史上最早廣泛使用的布局，理論研究已經(jīng)非常完善，生產(chǎn)技術(shù)也成熟而又穩(wěn)定，同其他氣動(dòng)布局相比各項(xiàng)性能比較均衡，所以目前無(wú)論是民用飛機(jī)還是軍用飛機(jī)絕大多數(shù)使用這種氣動(dòng)布局。同其他氣動(dòng)布局相比各項(xiàng)性能比較均衡。只是由于均衡所以也沒(méi)有特別出色的地方。

二、飛機(jī)填鴨式布局的利弊

（一）鴨式布局的定義和運(yùn)用

所謂的填鴨式布局主要是針對(duì)某些戰(zhàn)斗機(jī)，為了提升戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動(dòng)性能而做的特別設(shè)計(jì)，因?yàn)轱w機(jī)飛起來(lái)像一只鴨子，因此被取名為“填鴨式布局”。這一布局方式的應(yīng)用最早可以追溯到二戰(zhàn)時(shí)期，前蘇聯(lián)的飛機(jī)設(shè)計(jì)師嘗試將水平尾翼設(shè)置在主翼前面的頭部?jī)啥?，使用更小的翼面卻能達(dá)到相同的操作效果，與此同時(shí)，飛機(jī)前翼和機(jī)翼部位將同時(shí)產(chǎn)生上升力，避免了水平尾翼在俯仰過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)升力。這樣一來(lái)，采用填鴨式布局的飛機(jī)將獲得更大的升力，操控速度更快，機(jī)身變動(dòng)更靈活。此外，在大迎角狀態(tài)下，鴨翼僅需少量的上升力就能夠卸載控制面，增強(qiáng)大迎角狀態(tài)下的可控性，避免因?yàn)檫^(guò)度抬頭而導(dǎo)致飛行不穩(wěn)和飛機(jī)失控的狀況[4]。鴨式布局目前僅在戰(zhàn)斗機(jī)上采用，適合超音速飛行，瑞典研制的國(guó)土防空戰(zhàn)斗機(jī)，大多數(shù)都采用了填鴨式布局，此外還有以色列的幼師系列戰(zhàn)斗機(jī)、俄羅斯的Su-47金雕和米格1.44，但目前世界上最為先進(jìn)的填鴨式布局戰(zhàn)斗機(jī)為中國(guó)的殲-20第五代戰(zhàn)機(jī)。

（二）填鴨式布局的利弊分析

相較于常規(guī)布局，填鴨式布局下的飛機(jī)具有更強(qiáng)的可控性和可操作性，機(jī)動(dòng)性能更強(qiáng)。飛機(jī)的鴨翼除了用以產(chǎn)生渦流外，還用于改善跨音速過(guò)程中安定性驟降的問(wèn)題，同時(shí)也可減少配平阻力、有利于超音速空戰(zhàn)。有了這個(gè)鴨翼，無(wú)尾布局的缺點(diǎn)得到明顯改善，高速飛行時(shí)更加穩(wěn)定，起降距離明顯縮短，甚至機(jī)動(dòng)性能比常規(guī)布局更加出色。而且前翼和機(jī)翼可以同時(shí)產(chǎn)生升力，而不像水平尾翼那樣，平衡俯仰力矩多數(shù)情況下會(huì)產(chǎn)生負(fù)升力。鴨式布局的飛機(jī)的短距起降性能更強(qiáng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘退俣葼顩r下也能獲得較高的升力。鴨式布局的飛機(jī)在高速飛行中有著更高的穩(wěn)定性，機(jī)動(dòng)性也要比常規(guī)布局飛機(jī)更加出色。在降落時(shí)，鴨翼還可偏轉(zhuǎn)一個(gè)很大的負(fù)角，起減速板的作用。但鴨翼調(diào)整時(shí)會(huì)增加戰(zhàn)機(jī)的雷達(dá)反射面積，不利于隱身，且鴨翼明顯易成為打擊的主要目標(biāo)[5]。鴨翼一旦受損則會(huì)立即影響升力大小，機(jī)動(dòng)性降低，甚至于失速墜毀。因此美國(guó)追求的極致隱身就讓美國(guó)放棄了加強(qiáng)機(jī)動(dòng)格斗性能優(yōu)異的鴨式布局，所以我們看到美國(guó)的新一代戰(zhàn)機(jī)F-22與F-35都沒(méi)有使用鴨式布局。俄羅斯的最新一代T-50也沒(méi)使用鴨式布局，而唯有中國(guó)在4代戰(zhàn)機(jī)上大膽嘗試，孰優(yōu)孰劣，還要通過(guò)實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)。

綜上所述，常規(guī)布局由于發(fā)明時(shí)間最早，研究是實(shí)踐的時(shí)間最常，因此，成為最成熟和穩(wěn)定的一項(xiàng)氣動(dòng)布局技術(shù)，但因?yàn)檫^(guò)于常規(guī)化，導(dǎo)致不可替代性較弱。而填鴨式是對(duì)常規(guī)布局的改進(jìn)，主要運(yùn)用在戰(zhàn)斗機(jī)上，對(duì)提升戰(zhàn)斗機(jī)的可控性、穩(wěn)定性和靈活性具有不可替代的作用和價(jià)值。然而，由于鴨翼的運(yùn)用，也使得填鴨式布局的戰(zhàn)斗機(jī)隱身能力較弱，一旦被發(fā)現(xiàn)，就極容易成為打擊對(duì)象，加大作戰(zhàn)中的風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)論是何種氣動(dòng)布局方式，都具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，也適用于不同的飛機(jī)種類(lèi)和飛機(jī)用途。我們唯有持續(xù)深入地對(duì)其展開(kāi)研究，查漏補(bǔ)缺，揚(yáng)長(zhǎng)避短，才能在完善性能的基礎(chǔ)上，提升飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和使用效果，提高我國(guó)飛機(jī)研究和設(shè)計(jì)水平，并在國(guó)際上占據(jù)領(lǐng)先地位，對(duì)維護(hù)我國(guó)的航空安全具有重要意義。

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